JP2005217171A - 集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射型の集光型太陽光発電装置に備えられている反射鏡の角度調整のための調整設備の構成が簡単となり、また、反射鏡の角度調整が容易な、集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法を提供する。
【解決手段】 太陽電池セル４４に順電圧を加えることにより太陽電池セル４４を発光させる。太陽電池セル４４が発光すると、その光は反射鏡１４により反射されて平行光となって透明ガラス基板３８（集光型太陽光発電装置の上板）から射出されるので、予め位置調整した照射目標板８４（対向面８５）に平行光が照射される位置が、その照射目標板８４に設けられている照射目標マークと一致するように、反射鏡１４の中心軸の角度を調整する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は反射型の集光型太陽光発電装置に備えられている反射鏡の角度調整方法に関する。

集光型太陽光発電装置（以下、単に装置ということもある）は、太陽光を集光させて太陽電池セルに照射することから、太陽電池セルを小さく（または少なく）することができる。そのため、低コスト化が可能である。この集光型太陽光発電装置を太陽光の集光形式で分類すると、凸レンズまたはフレネルレンズなどを透過させて太陽光を集光する透過型と、反射鏡により太陽光を反射させて集光する反射型があり、反射型には、多数の反射板を有し、その多数の反射板が全体として大きな反射板として機能し、それら多数の反射板からの反射太陽光を一箇所に集光するラージディッシュ型と、複数の反射鏡およびその複数の反射鏡と対を成す複数の太陽電池セルを備えた分散型（以下、分散反射型という）とがある。たとえば、分散反射型の装置は、非特許文献１に記載されている。

レンズを透過させて太陽光を集光する透過型の装置は、レンズに傾き誤差があったとしても、太陽光がレンズに入射するときのその傾き誤差の影響と、太陽光がレンズから射出されるときのその傾き誤差の影響とが相殺されるので、レンズ角度の許容範囲が大きい。そのため、レンズ角度の調整が容易であるという利点がある。しかし、その反面、太陽光がレンズを通過する際に色収差が生じる。色収差が生じると、太陽電池セルに照射される太陽光に強度ムラが生じ、発電効率が低下するという問題がある。この色収差は、特に、多接合の太陽電池セルを用い、広い波長範囲において発電を行う場合に問題となり、集光倍率が高いほどその問題が顕著になる。

これに対して、反射型の装置の場合には色収差が生じないので、高い発電効率が期待できる。しかしながら、反射型の装置のうち、ラージディッシュ型は、解放系であるため、塵・埃の少ない極めて限定された地域にのみ適用可能であり、日本国内での使用はほとんど不可能である。一方、分散反射型の装置は、装置がコンパクトであるので全体をカバーまたはハウジング内に収容できる。
ダニエル・フュールマン（DANIEL FEUERMANNN）、ジェフリー・エム・ゴードン（JEFFREY M. GORDON）、小放物面反射器に基づく高濃度光起電力の設計（HIGH-CONCENTRATION PHOTOVOLATAIC DESIGNS BASED ON MINIATURE PARABOLIC DISHS）、"ソーラーエナジー（Solar Energy）"（英国）、エルセビア サイエンス（Elsevier Science Ltd）、2001、Vol.70、No.5、pp.423-430

しかし、分散反射型の装置は、反射鏡の角度を調整するために大型の装置が必要であり、また、反射鏡の角度調整が面倒であるという問題がある。図１２は、分散反射型の集光型太陽光発電装置１１４において反射鏡１１６の角度を調整するための従来の角度調整設備１００を示す概略図である。図１２に示すように、従来は、平行光である太陽光の代わりに平行光を生じさせるために、Ｈｅ−Ｎｅレーザーなどのレーザー発振器１０２、およびレーザー光から平行光線束を生じさせるためのコリメータ１０４を有する平行光発生装置１０６が必要である。

この角度調整設備１００を用いた反射鏡の角度調整方法の一例を以下に示すと、平行光発生装置１０６により発生させられる平行光が基台１０８上に載置されている大型のＸＹステージ１１０に対して垂直に照射されるように反射鏡１１２の角度を調整する第１の角度調整工程と、集光型太陽光発電装置１１４をＸＹステージ１１０上に載置し、その集光型太陽光発電装置１１４に対して垂直に平行光を照射して、その平行光が反射鏡１１６で反射された光の焦点を、基台１０８およびＸＹステージ１１０を貫通する穴１１８を介して、反射鏡１２０および望遠鏡１２２を用いて基台１０８の下側から確認しつつ、その焦点が太陽電池セルおよびプリズム二次集光器などからなるレシーバ（受光装置）１２４の所定位置に来るように、反射鏡１１６の角度を調整する第２の角度調整工程とが必要である。しかも、この第２の角度調整工程は反射鏡１１６毎に必要であるが、平行光の光源である平行光発生装置１０６が１つしかないので、ＸＹステージ（平行移動装置）により、一つの反射鏡１１６の角度調整毎に集光型太陽光発電装置１１４全体を移動させる必要もある。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、反射型の集光型太陽光発電装置に備えられている反射鏡の角度調整のための調整設備の構成が簡単となり、また、反射鏡の角度調整が容易な、集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法を提供することにある。

本発明は、太陽電池セルには、順電圧を加えると発光するものがあるという事実を見い出したこと、および、平行光である太陽光を太陽電池セルに集光するための反射鏡に太陽電池セルからの光が照射されると、発電の際とは逆の光経路となることから、集光型太陽光発電装置から平行光が射出されるという特徴に基づいている。

すなわち、前記目的を達成するための本発明は、(a-1)太陽光を集光するための複数の反射鏡と、(a-2)その複数の反射鏡と対を成し、その反射鏡よりも太陽光入射側に配置され、順電圧を加えると可視光を発光する複数の太陽電池セルとを備え、(a-3)その反射鏡により集光した太陽光を前記太陽電池セルに照射して発電を行う反射型の集光型太陽光発電装置において、(b)その複数の反射鏡の中心軸の角度を調整する、集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法であって、(c)前記太陽電池セルに順電圧を加えることによりその太陽電池セルを発光させ、その発光させられた光が前記反射鏡により反射されることにより平行光を生じさせる発光工程と、(d)前記集光型太陽光発電装置に対向し、前記複数の反射鏡にそれぞれ対応する照射目標マークが予め設けられた対向面に、前記発光工程において生じた平行光が照射される位置を、その照射目標マークと一致させるように前記反射鏡の中心軸の角度を調整する角度調整工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池セルを発光させて平行光を得るので、集光型太陽光発電装置とは別に、平行光を生じさせるためのレーザー発振器やコリメータを設ける必要がなく、また、集光型太陽光発電装置を移動させるための平行移動装置（ＸＹステージ）も不要であるので、反射鏡の角度を調整するための調整設備の構成が簡単になる利点がある。また、太陽電池セルからの光が反射鏡で反射されて生じた平行光が対向面に照射される位置を、その対向面に設けられた照射目標マークに一致させるだけで反射鏡の角度調整が行えるので、コリメータからの平行光が集光型太陽光発電装置に入射する角度を調整する第１の角度調整工程に続いて、コリメータからの平行光が反射鏡で反射された光の焦点の位置に基づいて反射鏡の角度を調整する第２の角度調整工程とを必要とする従来の方法よりも工程が少なくて済み、しかも、平行光の光源として各反射鏡と対を成す太陽電池セルを用いることから、集光型太陽光発電装置を移動させる必要もないので、容易に反射鏡の角度を調整することができる。

本発明に用いられる太陽電池セルは、単層型であってもよいし、複数種類のｐｎ接合層が積層された多接合型であってもよい。多接合型の場合の積層数に特に制限はなく、たとえば、３層、４層、５層構造のものが使用される。

また、本発明の太陽電池セルは、順電圧を加えると可視光を発光するものであれば、組成に特に制限はないが、直接遷移形半導体層を有することが好ましい。直接遷移型半導体は、発光ダイオードに通常用いられる材料であり、順電圧が加えられることにより発光しやすいからである。

順電圧を加えられた場合の太陽電池セルの発光色は、可視光であれば、赤色、黄色、青色など、どのような色であってもよい。また、複数種類の色が同時に太陽電池セルから発光させられてもよい。

太陽光を集光するための反射鏡の平面形状（太陽光を反射する面の平面形状）は、円形または６角形などの多角形とすることができる。

対向面の位置は、その対向面に設けられた照射目標マークと太陽電池セルとを結ぶ線が、発電の際の太陽光入射角と平行となるように調整され、通常は、各太陽電池セルの真上に照射目標マークが位置するように、対向面の位置が調整される。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本方法発明が適用可能な反射型の集光型太陽光発電装置１０の部分拡大断面図である。集光型太陽光発電装置１０は、受光装置１２と、その受光装置１２と対を成す反射鏡１４とからなる発電ユニット１６が、縦横にそれぞれ複数配列された構造を有している。

上記反射鏡１４は、図２にその斜視図を示すように、平面形状が円形であり、基部１８と湾曲部２０とを有している。図１に戻って、湾曲部２０は、基部１８側とは反対側の面が中央側ほど基部１８側へ凹む放物面とされ、その放物面に金属反射層２２が形成されている。また、湾曲部２０の中央には、軸方向に貫通する貫通穴２４が形成されている。

基部１８は円筒状であり、この基部１８の湾曲部２０とは反対側の端部にボルト２６が螺合されることにより、反射鏡１４は、集光型太陽光発電装置１０のハウジングの底板２８に固定される。また、ボルト２６には、バネとして機能する複数の皿バネ座金３０が挿し通されている。

上記ボルト２６は、ハウジングの底板２８に形成された貫通穴３２に挿し通されており、この貫通穴３２は、ボルト２６の傾きをある程度許容するような径とされており、また、貫通穴３２およびボルト２６は、反射鏡１４の基部１８の周方向において複数（たとえば３つ、あるいは４つ）設けられているので、各ボルト２６を締め付ける程度を調整することによって、反射鏡１４の中心軸ａｘは、ハウジングの底板２８に対して一定の範囲で傾くことができる。この中心軸ａｘの角度が後述する調整方法により調整された後は、ボルト２６は接着剤によりハウジングの底板２８に固定される。また、ハウジングの底板２８には、反射鏡１４の貫通穴２４と重なる位置にも貫通穴３４が形成されている。この貫通穴３４は、反射鏡１４の角度調整の際には後述する位置固定棒９８が挿入されるが、角度調整終了後には、図１に示すように、蓋３６が嵌め入れられており、蓋３６は接着剤により固定されている。

前記受光装置１２は、前記ハウジングに固定されている透明ガラス基板３８の反射鏡１４側の面（集光型太陽光発電装置１０内部の面）において、その中心軸がハウジングの底板２８に設けられた貫通穴３４の軸心と一致する位置に設けられている。

図３は、上記受光装置１２の分解斜視図である。なお、図３の説明における上下方向は、図３の上下方向を意味し、実際の装置の上下方向とは異なる。

受光装置１２は、正方形のアルミ基板４０を備えており、このアルミ基板４０が透明ガラス基板３８に固定される。帯状の下側リード電極４２は電気絶縁性のエポキシ樹脂シート（図示略）を介してアルミ基板４０上に固定され、その下側リード電極４２の長手方向の中央に太陽電池セル４４の下面が固定されている。太陽電池セル４４は正方形であり、たとえば、７ｍｍ×７ｍｍの外形寸法である。この太陽電池セル４４の上面すなわち受光面には、左右端に、下側リード電極４２と直交する方向にアルミ基板４０上を延びる帯状の上側リード電極４６の一端がそれぞれ接合されている。リード電極４２、４６によって区画されたアルミ基板４０面上の四隅部にはそれぞれ角柱状且つアルミ製の支持体４８が立設され、これら支持体４８の上に正方形の透明ガラス製支持板５０が載置固定されている。この支持板５０は、たとえば、５０ｍｍ×５０ｍｍであり、その上面中心には、集光レンズとしての平凸レンズ５２の平面側が接合されており、支持板５０の下面中心には、平凸レンズ５２と光軸を一致させて、プリズム集光器である直方体プリズム５４の光入射端面が接合されている。この直方体プリズム５４の他方の端面である下端面は太陽電池セル４４の受光面に接している。なお、透明ガラス製支持板５０の上面には、直方体プリズム５４が接続されている下面領域に対応する四角形領域５６（図４）を除いて、アルミの蒸着膜が形成されている（図４の斜線）。これにより、透明ガラス製支持板５０は、直方体プリズム５４の上面（光入射端面）から外れた入射光を反射する反射板として機能する。

図５は、前記太陽電池セル４４の構造を説明する構造図である。この図５に示すように、本実施例に用いられる太陽電池セル４４は、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型構造を備えたものであり、ｐ型Ｇｅ基板５８の上部が不純物拡散などによってｎ型とされることによりｐｎ接合が形成された底部接合層６０と、０．１μｍ程度のｎ⁺−ＧａＡｓ層及びｎ⁺−（Ｉｎ）ＧａＡｓ層から順次構成され、上記底部接合層６０上に積層されたバッファ層６２と、ｎ⁺⁺−ＩｎＧａＰ層及びｐ⁺⁺−ＡｌＧａＡｓ層から順次構成され、上記バッファ層６２上に積層された第１トンネル層６４と、ｐ⁺−ＩｎＧａＰ層、ｐ−（Ｉｎ）ＧａＡｓ層、ｎ⁺−（Ｉｎ）ＧａＡｓ層、ｎ⁺−ＡｌＩｎＰ層から順次構成されることによりｐｎ接合が形成された中間部接合層６６と、ｎ⁺⁺−ＩｎＧａＰ層及びｐ⁺⁺−ＡｌＧａＡｓ層から順次構成され、上記中間部接合層６６上に積層された第２トンネル層６８と、ｐ−ＡｌＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＧａＰ層、ｎ⁺−ＩｎＧａＰ層、ｎ⁺−ＡｌＩｎＰ層から順次構成されることによりｐｎ接合が形成された上部接合層７０とを備えている。また、かかる半導体製本体の下面には下部電極７２が固着され、上面には相対向する１対の長手状の上部電極７４が固着されている。また、その上部電極７４と上部接合層７０のｎ⁺−ＡｌＩｎＰ層との間には、例えばｎ^＋−（Ｉｎ）ＧａＡｓから成るコンタクト層７６が設けられており、上部接合層７０のｎ⁺−ＡｌＩｎＰ層の露出面には反射防止膜７８が設けられている。なお、図５において［］内に示されている物質は、半導体型を設定するために拡散あるいはイオン注入された不純物である。

上記底部接合層６０、中間部接合層６６、及び上部接合層７０にそれぞれ設けられているｐｎ接合は、電気的に直列に接続されるとともに、中心波長が相互に異なる吸収波長帯を備えており、例えば波長３００乃至６００ｎｍの青色光を上部接合層７０が、波長６００乃至１０００ｎｍの赤色光を中間部接合層６６が、波長１０００乃至１８００ｎｍの赤外光を底部接合層６０がそれぞれ吸収することにより、太陽光の波長帯のうち吸収波長帯を広域として高い変換効率が得られるようになっている。

以下、前記反射鏡１４の中心軸ａｘの角度調整方法について説明する。図６は、その角度調整方法を示す工程図であり、図７は、図６の第１工程Ｐ１を説明する図である。まず第１工程Ｐ１では、図７に示すように、太陽光発電装置１０（図７には図示せず）を載置するための定盤８０に対する被照射基板８２およびそれに固定された照射目標板８４の位置を調整する。定盤８０には、太陽光発電装置１０に備えられる複数の反射鏡１４を固定するために、その複数の反射鏡１４の間隔に対応した間隔で複数の貫通穴８６が設けられている。一方、被照射基板８２は、たとえば工場の天井８８などに固定されることにより、定盤８０に対して平行とされ、その被照射基板８２に固定されている照射目標板８４は、太陽光発電装置１０に備えられる複数の太陽電池セル４４の間隔（この間隔は反射鏡１４の間隔と同じである）に対応した間隔で設けられている。この照射目標板８４の下面、すなわち定盤８０（およびそれに載置される太陽光発電装置１０）に対向する対向面８５には、太陽電池セル４４から発光された光が反射鏡１４で反射されて生じる平行光の照射目標位置を示す十字の照射目標マーク９０（図１１）が書かれている。

第１工程Ｐ１では、貫通穴８６の真上にそれぞれ照射目標マーク９０の中心が位置するように、被照射基板８２の位置を調整する。そのために、貫通穴８６に嵌め入れられる軸部９２ａを有するとともに、定盤８０に対して平行な鏡面９２ｂを有する反射鏡９２を貫通穴８６に嵌め込み、次いで、Ｈｅ−Ｎｅレーザーなどのレーザー発振器９４からのレーザー光を半透鏡９６により反射させて、反射鏡９２の鏡面９２ｂに垂直にそのレーザー光を入射させる。そして、反射鏡９２の鏡面９２ｂにより反射されたレーザー光が、照射目標マーク９０の中心に照射されるように、その照射目標マーク９０の位置を調整する。前述のように、照射目標マーク９０の間隔すなわち照射目標板８４の間隔は、予め反射鏡１４の間隔と一致させられているので、被照射基板８２上において互いに対角線上に位置する２つの照射目標マーク９０について、その位置を調整すれば、被照射基板８２の位置調整は終了する。

続く第２工程Ｐ２では、太陽光発電装置１０を定盤８０上に設置する。図８は、第２工程Ｐ２を説明する図であり、第２工程Ｐ２では、定盤８０に固定されている当接部材９７を、太陽光発電装置１０の側面に当接させることにより、太陽光発電装置１０の設置位置を決定する。なお、この当接部材９７は図８には１つしか示されていないが、太陽光発電装置１０の互いに平行ではない側面にそれぞれ当接するように、２つの当接部材９７が定盤８０に固定されており、２つの当接部材９７に太陽光発電装置１０が当接させられた状態では、太陽光発電装置１０内の各反射鏡１４の真下に定盤８０の貫通穴８６が位置するように、それら２つの当接部材９７の位置が決定されている。

続く第３工程Ｐ３では、図９に示すように、反射鏡１４の貫通穴２４、ハウジングの底板２８の貫通穴３４、および定盤８０の貫通穴８６を貫通するように位置固定棒９８を挿入することにより、反射鏡１４の平行方向の位置を固定する。これにより、反射鏡１４の中心軸ａｘの角度調整中に反射鏡１４の中心軸ａｘが偏心する（定盤８０に対して平行にずれる）ことが防止される。

続く第４工程Ｐ４は発光工程に相当し、太陽電池セル４４に順電圧を加える。本実施例の太陽電池セル４４に順電圧を加えると、底部接合層６０が赤色に発光する。太陽電池セル４４が発光すると、図１０に示すように、発電の場合とは逆の光経路で光が進行する。すなわち、太陽電池セル４４からの光は、直方体プリズム５４内をその内壁面で反射しつつ進行して平凸レンズ５２に入射し、平凸レンズ５２に入射した光は、反射鏡１４に照射されて平行光が生じる。この平行光は、透明ガラス基板３８を透過して照射目標板８４の対向面８５に照射される。図１１は、上記平行光が照射目標板８４の対向面８５に照射されている状態を示す図である。図１１に示すように、平行光が対向面８５上において形成する光像９９は、反射鏡１４の平面形状と略同形であり、周囲にぼかし部９９ａを有する円形である。

続く第５工程Ｐ５は角度調整工程に相当し、ボルト２６の締め付け程度を調整することにより、対向面８５上の光像９９の中心が、照射目標板８４の対向面８５に書かれた照射目標マーク９０の中心と一致するように、反射鏡１４の中心軸ａｘの角度を調整する。

そして、反射鏡１４の中心軸ａｘの角度調整が終了したら、続く第６工程Ｐ６では、接着剤によりボルト２６を固定することにより、その軸方向の回転を禁止する。そして、最後に、第７工程Ｐ７において、位置固定棒９８を除去し、且つ、ハウジングの底板２８の貫通穴３４に蓋３６を嵌め入れ、その蓋３６も接着剤により固定する。

以上説明したように、本実施例によれば、太陽電池セル４４を発光させて平行光を得るので、集光型太陽光発電装置１０とは別に、平行光を生じさせるためのレーザー発振器やコリメータを設ける必要がなく、また、集光型太陽光発電装置１０を移動させるための平行移動装置（ＸＹステージ）も不要であるので、反射鏡１４の角度を調整するための調整設備の構成が簡単になる利点がある。また、太陽電池セル４４からの光が反射鏡１４で反射されて生じた平行光が対向面８５に照射される位置を、その対向面８５に設けられた照射目標マーク９０に一致させるだけで反射鏡１４の角度調整が行えるので、コリメータからの平行光が集光型太陽光発電装置１０に入射する角度を調整する第１の角度調整工程に続いて、コリメータからの平行光が反射鏡１４で反射された光の焦点の位置に基づいて反射鏡１４の角度を調整する第２の角度調整工程とを必要とする従来の方法よりも工程が少なくて済み、しかも、平行光の光源として各反射鏡１４と対を成す太陽電池セル４４を用いることから、集光型太陽光発電装置１０を移動させる必要もないので、容易に反射鏡１４の角度を調整することができる。

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

本方法発明が適用可能な反射型の集光型太陽光発電装置の部分拡大断面図である。 図１の集光型太陽光発電装置に備えられている反射鏡の斜視図である。 図１の集光型太陽光発電装置に備えられている受光装置の分解斜視図である。 図３の受光装置に備えられている支持板の平面図である。 図３の受光装置に備えられている太陽電池セルの構造を説明する構造図である。 反射鏡の中心軸の角度調整方法を示す工程図である。 図６の第１工程を説明する図である。 図６の第２工程を説明する図である。 図６の第３工程を説明する図である。 図６の第４工程（発光工程）を説明する図である。 図６の第４工程（発光工程）において生じた平行光が、照射目標板の対向面に照射されている状態を示す図である。 分散反射型の集光型太陽光発電装置において反射鏡の角度を調整するための従来の角度調整設備を示す概略図である。

符号の説明

１０：集光型太陽光発電装置
１４：反射鏡
４４：太陽電池セル
８５：対向面
９０：照射目標マーク
Ｐ４：発光工程
Ｐ５：角度調整工程

Claims (1)

1. 太陽光を集光するための複数の反射鏡と、
   該複数の反射鏡と対を成し、該反射鏡よりも太陽光入射側に配置され、順電圧を加えると可視光を発光する複数の太陽電池セルとを備え、
   該反射鏡により集光した太陽光を前記太陽電池セルに照射して発電を行う反射型の集光型太陽光発電装置において、
   該複数の反射鏡の中心軸の角度を調整する、集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法であって、
   前記太陽電池セルに順電圧を加えることにより該太陽電池セルを発光させ、該発光させられた光が前記反射鏡により反射されることにより平行光を生じさせる発光工程と、
   前記集光型太陽光発電装置に対向し、前記複数の反射鏡にそれぞれ対応する照射目標マークが予め設けられた対向面に、前記発光工程において生じた平行光が照射される位置を、該照射目標マークと一致させるように前記反射鏡の中心軸の角度を調整する角度調整工程と
   を含むことを特徴とする集光型太陽光発電装置の反射鏡角度調整方法。
   

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